高强先张法预应力薄壁管桩(简称PHC桩)，凭借其单桩承载力高、施工方便、质量容易控制等优势，近年来广泛应用于各类建筑结构地基加固中。在沿海地区的高速公路软土地基处理中也有诸多案例，在广东省内主要用于提高结构物地基承载力和软基处理应急措施。与其他桩型的复合地基方案比较，PHC管桩的单位造价过高，限制了这种优质桩型的推广。公路常规软土路基的加固工程，相比于建筑结构物地基，具有加固面积大，沉降控制指标低的特点，疏桩和非端承桩模式成为PHC管桩加固软土路基设计方案的基本原则。PHC桩的单桩承载力特性是加固方案设计的基本依据，据此确定合理桩间距和桩长等设计参数，防止桩长过大造成截桩或桩长不足致使沉降过大，适度控制桩间距达到降低造价的目的。

管桩单桩承载力的确定方法，国际上日本和英国采用桩身结构混凝土的竖向承载力作为承载力设计值，国内的相关规范^{[1, 2]}均采用地层的物理力学指标或静探测试指标进行经验计算。工程实践和相关研究表明^[3]，采用经验方法计算结果与现场实测值有一定差距。PHC管桩静压法沉桩具有施工噪声小和打入深度可控性强的优势，因而被广泛用于各类地基加固工程中。本文根据静压PHC管桩的原位试验，研究压桩力实时规律和单桩承载力特征，为静压PHC管桩加固软土路基的合理设计提供依据。

通过PHC管桩静压试验，研究PHC管桩压桩力与静力触探锥尖阻力的关系。在某高速公路K52+400~+480软基段进行PHC管桩压桩工艺原位试验。场地软土地层参数见表 1，管桩体外直径300 mm，内孔直径160 mm，正方形布桩，桩间距3.0 m。设计桩长均为9 m，桩端持力层为粗砂层。依据《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)和静力触探测试的地层参数，经过计算得到的极限承载力标准值如表 2所示。压桩试验测试的桩顶端压力值和对应贯入深度数据，通过静压桩机自带压力表和贯入深度测量获得，每压入1 m记录一次数据。现场压桩力终值列入表 2。

图 1为静力触探锥尖阻力与压桩力随深度变化关系曲线。图 1(a)为桩号K52+438断面的静力触探锥尖阻力随深度的变化关系和2-8^#桩、2-9^#桩的压桩力随深度变化曲线。图 1(b)为桩号K52+448断面的静力触探锥尖阻力随深度的变化关系和2-12^#桩、2-13^#桩的压桩力随深度变化曲线。

图 1 静力触探锥尖阻力与压桩力随深度变化关系曲线 Fig. 1 Tip resistance in CPT and piling load varying with depth

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图 1显示，压桩时桩体贯入过程的压桩力并非持续增加，会出现贯入深度增加压桩力减小或不变的现象，现场施工时出现的掉桩现象就是一种极端情况。图 1(a)中的2-8^#、2-9^#桩压桩力曲线可以看出，现场表层0~1 m的压桩力最大值为420 kN，该层为经过压实的填土，进入软土层后(1~5.5 m)压桩力持续减小或保持恒定。压桩力减小或恒定这一现象说明，致密地层被桩体压穿后，桩端阻力发生了较大变化，桩侧阻力随压入深度的增长未能抵消桩端阻力的消减，遂造成总体压桩力减小的结果。由此推断出，PHC管桩贯入过程中桩端阻力是构成压桩力的主要因素，桩端阻力的变化量大于桩侧阻力。

图 1还显示，压桩力随深度的变化曲线与地层的静力触探锥尖阻力随深度的变化近似一致，与前人的研究成果类似^{[4, 5, 6]}。由于桩体贯入过程中桩端阻力的变化量大于侧阻力，压桩力的变化趋势主要受桩端阻力影响，因此压桩力与静力触探锥尖阻力的变化趋势具有较高的一致性。图 2为2-8^#桩，2-12^#桩的压桩力分别与各自断面的静力触探锥尖阻力的对应关系，两者为正相关，近似为线性关系。由此可以认为，现场PHC管桩压桩力特征具有静力触探锥尖阻力的特征，能够反映地层的力学性状，在勘察资料密度不足的情况下，通过建立勘察点位的锥尖阻力和压桩力的相关关系，结合施工点位的压桩力，据此确定现场的PHC管桩施工桩长是可行的。

图 2 压桩力与静力触探锥尖阻力的关系 Fig. 2 Relation between piling load and tip resistance in CPT

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表 2显示，依据静力触探指标计算的极限承载力标准值略小于压桩力终值，相对误差范围1%~18%。由此可以认为，采用静力触探指标得到的极限承载标准值是偏于安全的，且安全储备不至于过大，再次验证在本试验场地规范推荐的方法是可行的。

通过PHC管桩静压后复压试验研究压桩后桩体极限承载力的增长规律。现场压桩完成后24，96 h分别进行复压试验，记录桩体下沉瞬间的压桩力，即复压压桩力，如表 3所示，其中，压桩力终压值为管桩压入到预定深度时的压力值。复压值总体上随着时间的增加而变大。图 3为复压压桩力随时间变化的增长曲线。

图 3 复压压桩力与时间的关系 Fig. 3 Repressing load varying with time

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图 3为桩体复压试验压桩力随压桩后间歇时间的增长线。图 3显示，复压压桩力随压桩间歇时间增加而增大，临近桩的复压压桩力增长趋势相同。表 3数据显示，压桩后24 h压桩力增长率即日增长率最大值为15.25%，96 h压桩力增长率最大值为27.92%，24 h以后增长速率趋缓，24~96 h的增长率最大值为11.65%，日平均增长率为2.91%。压桩力终值和复压压桩力与桩体原位载荷试验的极限承载力具有相同的性质，即压桩后桩体的极限承载力具有一定的增长空间。

PHC管桩静压贯入地基，导致地基土体内的孔隙水压力增长，从而引起土体有效应力的降低。打桩时压桩力对应的地基土内的有效应力是地基加固后的最小值，无论是桩体的端阻力还是侧壁摩阻力都是在最小约束下的对应值，因此压桩力终值是打桩后的最小值。压桩完成后，随着孔隙水压力消散，土体内的有效应力逐渐恢复并较天然地基有明显增长，桩端和侧壁的阻力都对应增加，桩体的承载力必然呈现总体随时间增长的趋势。由于临桩的地质条件相同，处在相同的孔隙压力影响区域内，孔压同步消散，有效应力同步增长，因此，桩体的承载力也会同步增长。孔隙压力的消散过程是初期消散快后期慢，因此，承载力的增长率也是初期明显，后期逐渐变小。

另外，由于土体具有触变性和强度恢复的时效性^{[7, 8]}，压桩时土体受到扰动强度处于最低值，同时，桩体和土体之间是滑动摩擦，因此，压桩力终值对应的地基土强度和桩土接触状态均是桩体承载力的最不利工况。压桩完成后，土体强度逐渐恢复，桩土接触形式也由滑动变为静止，再次复压时土体强度得到恢复，桩土接触形式是静止状态，均是桩体承载力的有利工况，因此致使复压压桩力增长。

由复压试验可知，软土地基中的PHC管桩压桩后，预留出承载力的增长时间能充分发挥桩体的承载作用，可减小地基的总沉降。另外，在静载原位试验不足的情况下，可根据桩体的复压压桩力估算单桩的极限承载力。

通过PHC管桩现场载荷试验研究承载力试验值与计算值、终压值、复压压桩力的关系。打桩结束2个月后，对桩2-8^#、2-12^#桩进行了单桩竖向静力载荷原位试验，试验依据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106—2003)进行。

图 4为载荷试验的荷载沉降曲线，图 5为2-12^#桩在各级荷载下的桩体沉降时间曲线。图 4显示，2-8^#桩、2-12^#桩极限承载力600 ，700 kN对应的桩体沉降分别为11，13 mm。图 5显示，2-12^#桩在荷载800 kN下，5 min内桩体发生沉降49 mm，地基已发生桩体刺入破坏，即桩土之间发生了一定的剪切滑移。

图 4 荷载沉降曲线 Fig. 4 Load-settlement curves

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图 5 2-12#桩荷载沉降时间曲线 Fig. 5 Settlement-time curves of pile 2-12

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表 4列出了根据静探数据计算得到的设计值、沉桩终压值、复压压桩力和载荷试验极限承载力数据。表 4数据显示，承载力计算值小于承载力试验值，约含有10%~15%的安全储备；压桩力终压值也小于承载力试验值，差值小于10%，与图 3中压桩力随静止时间增长的现象一致；而承载力试验值却小于打桩后复压压桩力，96 h对应的差值大于15%，说明以复压压桩力估算桩体极限承载力是不安全的，同时说明据此评估承载力随静止时间的增长量是偏大的。

综上，采用压桩终压值预估桩体的极限承载力是可行的，采用静力触探指标依据规范方法计算的承载力是偏于安全的，安全储备不至于过大。以复压压桩力估算桩体极限承载力是不安全的，据此评估承载力随静止时间的增长量是偏大的。

采用光纤传感器^{[9, 10, 11, 12]}测试载荷试验桩的桩身应变，研究桩承荷载的分布情况。在2-12^#桩的外表面对称布置两条光纤，各内置8个光纤光栅(FBG)应变传感器，在桩体外部刻槽粘贴，如图 6所示。试验过程采用SM-125型光纤光栅解调仪记录数据，同时记录对应荷载。

图 6 2-12#桩安装光纤传感器位置示意图 Fig. 6 Positions of fiber optic sensors on pile 2-12

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图 7为根据桩身应变计算得到的桩身轴力随深度的变化曲线，计算时桩身弹性模量取值38 GPa。表 5为根据桩身轴力值计算的各级荷载下的侧壁摩阻力和桩端阻力，计算桩端阻力时以桩身8 m处传感器的数据为代表桩端工况。

图 7 2-12#桩轴力随深度变化曲线 Fig. 7 Axial force varying with depth(pile 2-12)

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图 7显示，桩体轴力随深度衰减，试验荷载越大，轴力随深度衰减越快。桩体在轴力作用下发生压缩变形，随试验荷载增加，桩身的压缩变形分布发生变化，变形大的上部调用的桩土之间的静摩擦力大于下部，侧壁摩阻力的分布形式相应发生变化，导致桩身轴力随深度衰减加快。由此，图 7显示的桩轴力分布形式是合理的。

表 5数据显示，侧壁摩阻力随试验荷载增大，整体呈总量增加趋势，但占总荷载的比例却逐渐降低；而桩端阻力随试验荷载增大总体也呈增加趋势，但占总荷载的比例也是逐渐增加的，如图 8所示。载荷试验过程，桩体总体上处于由静至动的趋势，极端情况是发生桩土相对剪切滑动，因此侧壁摩阻力是由静摩擦发展到滑动摩擦的过程，总体上呈现减小的趋势，表现为占总荷载的比例逐渐降低。与此对应，则桩下端阻力在试验过程中是逐渐增加的，所占总荷载比例也是逐渐增大的。这一规律与打桩过程压桩力随深度的变化关系是一致的。

图 8 2-12#桩侧壁及端阻力随总荷载变化曲线 Fig. 8 Pile side friction and top resistance varying with total load (pile 2-12)

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综上，PHC管桩承担的荷载既有端阻力也有侧壁阻力，且侧壁阻力所占份额超过50%，本试验中PHC桩摩擦桩的性质更为突出。桩承荷载增大时，侧壁阻力和端阻力同时增加，侧壁阻力增加速率呈下降趋势，占总额比例减小，端阻力增长率呈上升趋势，占总额比例增大。

(1)PHC管桩贯入过程中的压桩力受桩端阻力影响大，具有静力触探锥尖阻力的特征，能够反映地层的力学性状，通过建立勘察点位的锥尖阻力和压桩力的相关关系，结合施工点位的压桩力，据此确定现场的PHC管桩施工桩长是可行的。

(2)软土地基中的PHC管桩压桩后，桩体的极限承载力具有一定的增长空间。采用压桩终压值预估桩体的极限承载力是可行的，依据静力触探指标和规范方法计算的承载力是偏于安全的。以复压压桩力估评估承载力随静止时间的增长量是偏大的。

(3)PHC管桩承担的荷载既有端阻力也有侧壁阻力，且侧壁阻力所占比例超过50%，本试验中PHC管摩擦桩的性质更为突出。桩承荷载增大时，侧壁阻力和端阻力同时增加，侧壁阻力增加速率呈下降趋势，占总额比例减小，端阻力增长率呈上升趋势，占总额比例增大。